鋁合金與碳鋼焊接工藝對比研究

聞瑞利

（河北機車技師學院,河北 唐山 064000）

1 前言

鋁是地殼中分布廣泛的一種元素，含量豐富，而且鋁合金具有良好的耐蝕性，較高的比強度等更是得到了廣泛的應用。高速動車組車體、飛機殼體等完全采用的是鋁合金結構。在現場生產中，更是使用了與碳鋼完全不同的焊接工藝。本文通過對比鋁合金與碳鋼的焊接工藝，闡述了鋁合金的焊接特點及其工藝性能。

2 鋁合金的焊接性

（1）強的氧化能力。鋁合金不但在空氣中極易氧化，而且在焊接時焊接區域也極易氧化，焊接時生成的三氧化二鋁（Al2O3）熔點高、不容易徹底清除。并且在焊接中阻隔熔化的母材與液態焊接材料充分融合，鋁合金的表面形成致密的氧化膜，不易從焊縫表面浮出，鋁合金的表面氧化膜極易吸附大氣中的水分，使焊縫內部及表面形成氣孔。因此，鋁合金焊接過程中容易形成未熔合、夾渣、氣孔、未焊透等焊接缺陷。

（2）較大的熱導率和比熱容。在鋁合金焊接過程中，焊接產生的熱量被迅速傳導到金屬母材，而碳鋼焊接時，金屬母材不能迅速傳導焊接產生的熱量，大部分熱能用以形成熔池。因此，鋁合金的比熱容和熱導率約比碳鋼大1倍。

（3）熱裂紋傾向大。鋁合金在焊接過程中的母材與焊縫金屬的線膨脹系數約為碳鋼的兩倍。鋁合金在焊接過程中，焊縫金屬在冷凝過程中體積收縮量較大，在焊接過程中會集中大量焊接應力，產生較大的焊接變形，所以，鋁及鋁合金焊接時必須采取有效的預防及控制焊接應力與變形的措施。

（4）容易形成氣孔。鋁合金在固態時不溶解氫，但在焊接液態熔池狀態下能大量溶解的氫。在焊縫金屬快速冷卻以及凝固過程中，由于金屬液—固轉變較快，氫從焊縫金屬中來不及溢出，極易在焊縫近表面及內部區間形成氫氣孔。

（5）焊穿。鋁及鋁合金從固態為鋁白色，液態金屬仍為鋁白色，固液轉變顏色無明顯的變化，不便于肉眼觀察，所以不易通過觀察判斷熔池溫度，焊接時，經常會因為察覺不利致使焊接熔池溫度過高而造成焊縫焊穿。

由于鋁合金具有上述的焊接性，致使在鋁合金的焊接過程中要消耗比碳鋼更多的熱能，而且為了保證焊縫質量，焊前還應該需采取相應的預熱工藝等措施。更要注意焊縫焊前的清理，以及焊縫的保護等。

3 鋁合金的焊接工藝

（1）焊接方法。目前鋁合金連接常用的焊接方法主要有：熔化極氣體保護焊（MIG）和鎢極氬弧焊（TIG—交流）。熔化極氣體保護焊包括脈沖電流焊接和連續電流焊接。熔化極氣體保護焊時，焊絲做為陽極，可采用比鎢極氬弧焊更大的焊接電流，具有較大的電弧功率、較高的焊接效率，所以特別適用中厚板鋁合金的焊接。保護氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。

（2）焊前清理。在焊接過程中防止產生氣孔、夾渣的重要措施是去除焊件表面的氧化膜和油污。目前常采用機械清理和化學清洗的方法。機械清理主要是采用不銹鋼絲刷子，除掉金屬氧化膜直到露出金屬表面光澤為止。化學清洗方法有浸洗法和擦洗法兩種，前者適用于尺寸較小的焊件。常用丙酮、汽油等有機溶劑擦試表面以除油等。其特點是質量穩定，效率較高。

（3）適當采用墊板。鋁合金的高溫強度低，且鋁在液態時流動性好，因而，焊接時鋁合金易產生下塌等缺陷。為了保證焊件在焊透又不致產生塌陷，焊接時常采用放置墊板來托住熔池及附近金屬。墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個圓弧形槽，以保證焊縫反面成型。

（4）焊前預熱。對薄、小的焊件一般可以不用預熱。在鋁合金車體的實際生產中，一般在大于8mm的板厚時必須進行預熱處理，預熱溫度為80℃-120℃，如果在預熱時容易產生變形，則不贊成預熱。

（5）焊后處理。焊后留在焊縫及附近飛濺等會破壞鋁表面的氧化膜，有時還會腐蝕鋁件，應清理干凈。相比較碳鋼而言，由于鋁合金極易氧化的特點，工件在存放過程中也會重新產生氧化膜，尤其在潮濕環境下氧化膜形成更為迅速。所以，工件在清洗和清理后應盡快施焊，縮短清理后的存放時間。

針對鋁合金導熱速度快的特點，鋁合金在焊接過程中需要“高溫高速”的處理。因鋁合金具有較高的熱導性，所以在焊接過程中需要使用比碳鋼焊接溫度更高的電流電壓設定和更高的焊接速度。在對工件進行預熱的時候應杜絕采用氧化焰進行作業。

4 焊接變形

鋁合金線膨脹系數較大，凝固時的體積收縮率較大，焊件產生變形較大，所以在鋁合金的組裝焊接時要充分考慮焊接變形。在鋁合金的實際生產中由于焊接收縮的影響，致使焊后構件尺寸不合格的現象很普遍，這就要求在組裝時預留出一定的組裝間隙，或對組焊件加工出一定的尺寸預留量。并且通過對組裝件按照焊接的位置作出反變形，來進一步減少此類影響。通過合理的工裝以及焊接支撐來達到對焊接變形的控制。

5 焊接缺陷

在鋁合金的焊接缺陷中，裂紋和氣孔是最容易出現的兩種缺陷。

（1）焊接裂紋。包括焊縫中的縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發狀或弧狀裂紋；熱影響區的焊趾裂紋、層狀裂紋；熔合線附近的顯微裂紋。可采用調整焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生，例如對焊接件的合理區域進行預熱可減少熱裂紋的產生。

（2）焊接氣孔。氫氣是鋁合金焊接產生氣孔的主要原因。氫氣的主要來源是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材吸附的水分。焊縫迅速冷卻過程中，由于氫收到氧化膜阻隔等因素影響來不及溢出，極易形成氣孔。因此，要對氫的來源要嚴格控制和清楚焊材及母材中的水分，來防止氣孔的形成。

（3）其他缺陷。包括夾渣、未熔合、未焊透，咬邊等。

6 焊縫的修補

（1）焊接位置。為了保證焊補的質量，鋁合金焊接時應該盡可能采用平敷焊。當工件尺寸、結構復雜，平焊施焊受限時，,可先進行適應性工藝試焊，并盡量采用上坡焊。

（2）多層多道焊。補焊焊縫層數的多少取決于缺陷的類型和深度，多層補焊時應做好層間清理。

（3）鋁合金的預熱及層間溫度的控制。預熱是鋁及鋁合金補焊時為保證焊縫質量經常采取的工藝措施。焊前預熱可以減小焊接前后溫度梯度、縮短母材金屬熔化的時間、減少氫氣孔的形成。同時還應注意預熱合適的區域。層間溫度應小于等于預熱溫度，應控制在80℃-120℃的范圍內。

（4）起弧和收弧。必要時要增加起弧板和收弧板，避免直接在工件或者焊縫上起弧。

7 結論

通過對鋁合金焊接與碳鋼焊接工藝的比較，結合生產實踐中的發現，不斷地總結鋁合金的焊接性，更深的了解鋁合金的焊接性，更好指導學生實習。